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专题15.3　热力学定律与能量守恒定律
物理观念：理想气体。
知道理想气体的概念并且知道一定质量的理想气体的内能只与温度有关.
科学思维：理想气体状态方程、热力学定律
1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.
2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.
3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能实现.
科学态度：热机在生产、生活中的应用。
【知识点一】热力学第一定律与能量守恒定律
1.热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。
(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。
(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。
2.三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。
（2023 沙坪坝区校级模拟）某班同学在中央公园进行的踏青活动中放飞气球，已知大气压强随高度增加而降低，假设气球在上升过程中温度不变。某同学观察一缓慢上升的气球（球内气体视为理想气体），球内气体在气球上升的过程中（　　）
A．内能增大 B．内能减小 C．从外界吸热 D．向外界放热
【解答】解：AB．理想气体不计分子势能，则理想气体的内能由温度决定，气球在上升过程中温度不变，则气球内的气体的内能不变，故AB错误；
CD．气球在上升过程中温度不变，根据玻意耳定律有p1V1＝p2V2，由于大气压强随高度增加而降低，则气球缓慢上升过程，气体额压强减小，体积增大，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，由于气体内能不变，体积增大，气体对外做功，W取负值，则Q取正值，即气体从外界吸热，故C正确，D错误。
故选：C。
（2023 青岛模拟）啤酒是青岛这座城市的“专属味道”，如图是青岛市民喜欢的袋装原浆，某次售卖时，售货员将7℃冰镇原浆倒入密封袋中快速封口，密封袋内有啤酒和少部分空气且不断有气体从啤酒中析出，静置一段时间后，发现密封袋鼓胀起来。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，室温为27℃，封闭气体体积从0.2L增大为0.25L。下列说法正确的是（　　）
A．外界对内部封闭气体做正功
B．静置后内部封闭气体的内能增加
C．静置后内部封闭气体的分子速率都增加
D．根据气体实验定律，可求出静置后内部封闭气体的压强
【解答】解：A、封闭气体体积增大，气体对外界做正功，则外界对内部封闭气体做负功，故A错误；
B、静置一段时间后，封闭气体温度升高，气体的内能增加，分子的平均动能和平均速率增大，但具体到某一个气体分子，其速率有可能减小，故B正确，C错误；
D、根据题意，不断有气体从啤酒中析出，即气体的物质的量在不断增多，则根据气体实验定律，不能求出静置后内部封闭气体的压强，故D错误。
故选：B。
（2023 通州区校级三模）如图所示，自嗨锅是一种自热火锅，加热时既不用火也不插电，主要利用发热包内的物质与水接触，释放出热量。自嗨锅的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成爆炸，非常危险，下列说法中正确的是（　　）
A．自嗨锅爆炸的瞬间，盒内气体的内能增大
B．自嗨锅爆炸的短时间内，单位时间单位面积上分子撞击容器壁的次数增多
C．爆炸短时间内，温度迅速降低，分子平均速率减小
D．能够闻到自嗨锅内食物的香味是布朗运动
【解答】解：A、自嗨锅爆炸瞬间，盒内气体对外做功，且来不及与外界进行热量交换，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q，盒内气体内能减小，温度降低。故A错误；
BC、爆炸短时间内，温度迅速降低，分子平均速率减小，气体体积迅速膨胀，分子数密度减小，故单位时间单位面积上分子撞击容器壁的次数减少。故B错误，C正确；
D、能够闻到火锅的香味是因为分子热运动导致的，属于扩散现象，而不是布朗运动。故D错误。
故选：C。
（2023 梅河口市校级三模）登山运动员从海拔500m的山脚下出发，来到海拔3200m的山顶，发现所携带的一密封着一定质量空气的塑料袋的体积明显增大了。山顶气温比山脚下低10℃左右。在登山过程中，下列关于塑料袋中气体的说法正确的是（　　）
A．塑料袋中气体的内能变大了
B．塑料袋中气体的压强变大了
C．塑料袋中气体对外界做的功小于其内能的变化量
D．塑料袋中气体放出的热量大于其对外界做的功
【解答】解：A、由于山顶温度低，在登山过程中，塑料袋中气体的温度要降低，温度是衡量理想气体内能的标志，其内能减小，故A错误；
B、塑料袋中气体温度降低，体积增大，根据理想气体状态方程，可知气体压强减小，故B错误；
C、根据热力学第一定律：ΔU＝W+Q，塑料袋中气体的内能减小（ΔU＜0），体积增大，气体对外做功（W＜0），可知塑料袋中气体对外界做的功小于其内能的变化量，无法比较塑料袋中气体放出的热量和其对外界做的功的大小关系，故C正确，D错误；
故选：C。
（2023 枣强县校级模拟）如图所示，在大气压强为、室温为T1＝300K的实验室中，一高度L＝30cm、底面积S＝3×10﹣4m2、侧壁及底面厚度不计的圆柱体气缸竖直放置在地面上，内有一质量M＝4kg、厚度H＝5cm的活塞，气缸侧壁顶部和正中间分别有一个大小不计的微动开关P、Q，可以感知活塞是否与其接触，以制成传感器。初始时活塞底部距离气缸底部20cm，不计活塞与气缸侧壁间的摩擦。
（1）若缓慢升高气缸内气体温度，求活塞刚好接触微动开关P时气缸内气体温度。
（2）若第（1）问过程中，气缸内气体从外界吸收热量Q1＝7.5J，气体内能变化量为多少？
（3）保持温度不变，在活塞上缓慢施加压力以触发开关Q可制成压力传感器，若Q到活塞底部距离的调节范围为5～15cm，则可检测的压力的范围是多少？
【解答】解；（1）初始时气缸内气柱的高度为
h1＝20cm
温度为T1＝300K
活塞刚好接触微动开关P时气缸内气柱的高度为
h2＝25cm
设此时气体温度为T2，此过程气体发生等压变化，由盖—吕萨克定律有
解得：T2＝375K。
（2）由热力学第一定律有
ΔU＝W+Q1＝﹣（Mg+p0S）ΔL+Q1
解得：ΔU＝4J
即气体的内能增大了4J。
（3）此过程气体发生等温变化，由玻意耳定律有
p1V1＝p2V2
其中
V1＝h1S
V2＝hS（5cm＜h＜15cm）
解得：。
答：（1）活塞刚好接触微动开关P时气缸内气体温度为375K；
（2）气体内能变化量为4J；
（3）可检测的压力的范围是。
【知识点二】热力学第一定律与图像的综合应用
1.气体的状态变化可由图象直接判断或结合理想气体状态方程＝C分析.
2.气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析.
(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功.
(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小.
(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热.
（2023 南岗区校级三模）如图所示的p﹣V图象中，一定质量的理想气体从状态A开始，经过状态B、C、D，最后回到状态A。其中AD和BC平行于横轴，AB和CD平行，AB延长线过坐标原点O，下列说法正确的是（　　）
A．A→B过程气体分子热运动的平均动能不变
B．C→D过程气体单位体积内分子数增加
C．D→A过程中，气体分子与器壁在单位时间、单位面积上的碰撞次数将减少
D．整个过程中，气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量
【解答】解：A．由p﹣V图像可知A→B过程气体的压强和体积均减小，由可知A→B过程气体温度降低，因此分子平均动能减小，故A错误；
B．C→D过程体积增大，分子数量保持不变，故气体分子数密度减小，故B错误；
C．D→A过程气体的压强保持不变，体积减小，由可知D→A过程T降低，分子平均动能减小，分子对器壁的平均碰撞力减小，分子数密度变大，可知单位时间内单位器壁面积上分子碰撞次数增多，故C错误；
D．直线AD和BC平行于横轴，直线AB和CD平行，p﹣V图线与V轴围成的面积表示功，A→B过程外界对气体做功与C→D过程气体对外界做功
W1+W3＝0
B→C过程气体对外界做功与D→A过程外界对气体做功
W2+W4＞0
即全过程
W＞0
由W+Q＝ΔU＝0
解得：Q＜0
故整个过程中，气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量，故D正确。
故选：D。
（2023 江苏三模）如图所示，一定质量的理想气体从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a，则（　　）
A．a到b过程，气体内能增大
B．b到c过程，气体对外界做功
C．c到d过程，气体吸收热量
D．经过一次循环过程，外界对气体做功
【解答】解：A．a到b过程，为等容变化，气体对外界不做功，由理想气体状态方程
可得Ta＞Tb
则气体内能减少，故A错误；
B．b到c过程，体积减小，外界对气体做功，故B错误；
C．c到d过程，为等容变化，气体对外界不做功，由理想气体状态方程
可得Td＞Tc
则气体内能增加，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，故C正确；
D．由
W＝pV，p﹣V图像面积代表做功
可知，经过一次循环过程，由d到a气体对外做功大于由b到c外界对气体做功，故一个循环过程后，气体对外界做功，故D错误。
故选：C。
（2023 市中区校级一模）密闭容器内封有一定质量的理想气体，V﹣T图像如图所示，从状态a开始变化，经历状态b、状态c，最后回到状态a完成循环。下列说法正确的是（　　）
A．气体在由状态a变化到状态b的过程中放出热量
B．气体在由状态b变化到状态c的过程中，内能增加
C．气体从状态a完成循环回到状态a的过程中，向外界放出热量
D．气体从状态c变化到状态a的过程中，单位时间撞击单位面积容器壁的分子数增加
【解答】解：B、气体在由状态b变化到状态c的过程中，气体温度不变，气体内能不变，故B错误；
A、气体在由状态a变化到状态b的过程中压强不变，体积增大，气体对外做功，即：W＜0
温度升高，气体内能增大，即：ΔU＞0
由热力学第一定律有ΔU＝W+Q
可知：Q＝ΔU﹣W＞0，即气体吸收热量，故A错误；
C、气体从状态a完成循环回到状态a的过程中，气体温度不变，气体内能不变，由热力学第一定律有ΔU＝W+Q＝0，从a到b为等压变化，气体体积变大，气体对外做功为W1＝pb（Vb﹣Va）
从b到c为等温变化，气体体积减小，外界对气体做功为：W2（Vb﹣Va），为从b到c的压强的平均值，据pbVb＝pcVc，可得：pc＞pb。所以pb，数值上：W2＞W1，而气体从c到a体积不变，气体不做功，故气体从状态a完成循环回到状态a的过程中，表现为外界对气体做功，总全程功为正值，根据热力学第一定律可知气体向外界放出热量，故C正确；
D、气体从状态c变化到状态a的过程中，体积不变，分子密度不变，而温度降低，分子的平均动能减小，气体的压强减小，所以单位时间撞击单位面积容器壁的分子数不会增加，故D错误。
故选C。
（2023 怀仁市校级三模）一定质量的理想气体经历a→b、b→c、c→d三个变化过程，其体积V随热力学温度T变化的关系图像如图所示，图中从a到b过程的图像反向延长线过原点，从b到c过程图线与纵轴平行，a、c、d在与横轴平行的直线上，则下列说法中正确的是（　　）
A．从a→b过程，气体内能的增量小于气体放出热量
B．从a→b过程，气体分子运动的平均速率增大
C．从b→c过程，单位时间内容器壁单位面积上受到分子的平均作用力减小
D．从a→d过程，气体对外做功为零
【解答】解：根据一定质量的理想气体状态方程可得：C，解得：V，所以图像上某一点与坐标原点的连线的斜率越大、压强p越小。
A、从a→b过程，气体做等压变化，体积增大、温度升高、内能增大，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，气体吸收热量，且气体内能的增量小于气体吸收的热量，故A错误；
B、从a→b过程，气体温度升高、平均动能增大、则气体分子运动的平均速率增大，故B正确；
C、从b→c过程，气体做等温变化，体积减小、压强增大，单位时间内容器壁单位面积上受到分子的平均作用力增大，故C错误；
D、从a→b过程中的压强小于b到c过程的平均压强，则a到b过程中气体对外做的功小于b到c过程中外界对气体做的功，c到d过程中气体不做功，所以从a→d过程，外界对气体做正功，故D错误。
故选：B。
（2023 中山区校级模拟）气压式升降椅通过气缸上下运动来控制椅子升降，其简易结构如图（a）所示，圆往形气缸与椅面固定连接，柱状气动杆与底座固定连接。可自由移动的气缸与气动杆之间封闭一定质量的气体，气缸气密性、导热性能良好，忽略摩擦力，气体可视为理想气体。设气体的初始状态为A，接着某人虚坐在指面上，开始时此人的脚在地上，后逐渐减少对地面的压力直至脚完全离开地面，此过程中（温度不变）椅子缓慢下降一段距离后，气体达到稳定状态B。然后打开空调降低室温，一段时间后，室内温度缓慢降低到设定温度，稳定后气体状态为C。最后人将脚缓慢放在地面上并逐渐增大对地面的压力直至人离开椅面，气体最终达到另一个稳定状态该过程中气体的压强和体积倒数的关系如图（b）所示，已知气缸的横截面积为S，重力加速度大小为g，外界大气压强不变，则（　　）
A．由图（b）数据可算得人的质量为
B．与状态B相比，气体处于状态C时单位时间内碰撞单位面积容器壁的分子数较多
C．由图（b）数据可算得从状态C到状态D气体对外界做的功大小为（p1+p2）（V3﹣V4）
D．从状态A到状态D，气体向外放出的热量小于外界对气体做的功
【解答】解：A、设外界大气压强为p0，对椅面和气缸分析，初始时根据平衡条件可得：pS＝p0S+mg，人坐上椅面脚全部离开地面时，根据平衡条件可得：p2S＝p0S+mg+Mg，解得人的质量为：M，故A错误；
B、因pC＝pB，而TC＜TB，故单位时间内碰撞单位面积容器壁的分子数增多，故B正确；
C、C到D为等温过程，故该过程做功小于（p1+p2）（V3﹣V4），故C错误；
D、由C知，p＝CT ，斜率越大，温度越高，故TA＞TD，所以气体的内能减少，而VD＜VA，外界对气体做功，由热力学第一定律知，气体向外放热，且放出的热量大于外界对气体做的功，故D错误。
故选：B。
【知识点三】热力学第二定律的理解
1.热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.
(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.或表述为“第二类永动机是不可能制成的”.
2.热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序度增大的方向进行.
3.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律.
（2023 海口模拟）下列说法正确的是（　　）
A．悬浮水中的碳粒做布朗运动的现象，间接反映了水分子的无规则热运动
B．晶体有固定的熔点，但物理性质不可能表现为各向同性
C．温度升高时，物体内每个分子的速率都增大，所以物体的分子平均动能增大
D．根据热力学第二定律可知，热量不可以从低温物体传到高温物体
【解答】解：A．悬浮水中的碳粒做布朗运动的现象，是由水分子无规则运动撞击碳粒形成的，间接反映了水分子的无规则热运动，故A正确；
B．晶体有固定的熔点，单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性，故B错误；
C．温度升高时，物体的分子平均动能增大，但不是物体内每个分子的速率都增大，故C错误；
D．根据热力学第二定律可知，热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化，故D错误。
故选：A。
（2023 泉州模拟）2022年5月，我国首个商用压缩空气储能电站投产发电。在用电低谷期，利用剩余的电力把洞外空气压缩到盐矿开采后留下的密闭盐穴矿洞中，储存能量；在用电高峰期，将储存在矿洞内的高压空气释放出来驱动汽轮机发电。矿洞可视为绝热容器，在充气过程中，矿洞内（　　）
A．气体内能保持不变
B．气体分子数密度不变
C．气体分子的运动速率都增加了
D．气体分子对洞壁单位面积平均撞击力变大
【解答】解：A．矿洞可视为绝热容器，即有Q＝0，在充气过程中，外界对气体做功，根据热力学第一定律有ΔU＝W+Q，可知气体内能增大，温度升高，故A错误；
B．矿洞体积一定，充气后气体分子数增多，气体分子数密度增大，故B错误；
C．根据上述，气体温度升高，气体分子运动的平均速率增大，但具体到某一个分子，它的运动速率变化不确定，有可能增大，有可能减小，故C错误；
D．气体质量不变，温度升高，体积不变，则气体压强增大，即气体分子对洞壁单位面积平均撞击力变大，故D正确。
故选：D。
（2023 清远模拟）关于分子动理论，下列说法正确的是（　　）
A．布朗运动就是分子的运动
B．气体温度升高，每个分子的平均动能都增大
C．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
D．当分子间作用力表现为斥力时，分子势能随分子间距离的减小而减小
【解答】解：A．布朗运动是悬浮在液体或气体中的固体小颗粒的无规则运动，它间接反映了液体或气体分子的无规则运动，故A错误；
B．温度是分子平均动能的标志，温度升高，则分子平均动能增大，由于碰撞等原因，少数分子的动能可能减小，因此气体温度升高，并不是所有分子的动能都增大，故B错误；
C．根据熵增加原理，一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，故C正确；
D．当分子间作用力表现为斥力时，分子间距离减小，分子间作用力做负功，分子势能增大，故D错误。
故选：C。
（2023 重庆模拟）下列有关热学现象的说法，正确的是（　　）
A．当分子间作用力表现为引力时，分子势能随分子间距离减小而增大
B．所有晶体都具有各向异性的特征
C．一切自然过程总是向着分子热运动无序性减小的方向进行
D．高压气体突然快速膨胀会导致气体温度降低
【解答】解：A．当分子间作用力表现为引力时，分子间距离减小，分子间作用力做正功，此过程中分子势能减小，故A错误；
B．只有单晶体才表现为各向异性，多晶体表现为各向同性，故B错误；
C．根据熵增加原理，一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，故C错误；
D．高压气体突然快速膨胀对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W可知气体的内能减少，温度降低，故D正确。
故选：D。
（2021 山东二模）中国最早的农学论文《吕氏春秋 任地》论述到：“人耨必以旱，使地肥而土缓”。农谚“锄板底下有水”、“锄头自有三寸泽”。这都是对松土保墒功能的生动总结。关于农业生产中的松土保墒环节蕴含的科学原理，下列说法正确的是（　　）
A．松土是把地面的土壤锄松，目的是破坏这些土壤里的毛细管，保存水分
B．松土是为了让土壤里的毛细管变得更细，保护土壤里的水分
C．松土保墒利用了浸润液体在细管中下降，不浸润液体在细管中上升的科学原理
D．松土除了保墒、刈草外，还可促进蒸发、降低地温；“多锄地发暖”这句农谚没有科学道理
【解答】解：AB、土壤的水分蒸发要通过土壤里的毛细管进行，锄地松土后土壤里的毛细管被破坏，可以防止水分上升，保存水分，故A正确，B错误；
C、水对土壤是浸润液体，松土保墒是利用了浸润液体在细管中上升、不浸润液体在细管中下降的原理，该现象称为毛细现象，故C错误；
D、松土除了保墒、刈草外，由于锄地破坏了土壤的毛细管，可以减少水分的蒸发，以及因为蒸发而散失的热量，所以“多锄地发暖”这句农谚是有道理的，故D错误。
故选：A。
【知识点四】热力学定律与气体实验定律的综合问题
1.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法
(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。
(2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出与之相关的气体状态参量,利用相关规律解决。
(3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)就要做功,如果是等压变化,W=pΔV;只要温度发生变化,其内能就发生变化。
(4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。
2.与理想气体相关的热力学问题的分析方法
对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定:
(1)做功情况看体积
体积V减小→外界对气体做功→W>0;
体积V增大→气体对外界做功→W<0;
无阻碍地自由膨胀→W=0。
(2)内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU>0;
温度T降低→内能减少→ΔU<0。
(3)吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后确定Q。
（2023 山西模拟）一个密闭容器内封闭有m＝20g可视为理想气体的氧气，氧气从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的p﹣V图像如图中带箭头的实线所示，已知氧气的摩尔质量为M＝32g/mol，阿伏加德罗常数为，一个标准大气压为1.0×105Pa。求：
（1）密闭容器中所封闭氧气分子的个数n及每个氧气分子的质量m′（结果保留2位有效数字）；
（2）由状态A到C的整个过程中，被封闭氧气与外界间传递的热量Q。
【解答】解：（1）封闭氧气分子的个数nNA6.02×1023（个）＝3.8×1023（个）
每个氧气分子的质量为m′g＝5.3×10﹣26kg
（2）设状态A对应氧气的热力学温度为TA，压强为pA＝1atm，体积为VA＝4L，状态C对应氧气的热力学温度为TC，压强为pC＝4atm，体积为VC＝1L，由理想气体状态方程得：
代入数据解得：TA＝TC
即初末位置氧气的温度相同，则整个过程中被封氧气的内能变化量ΔU＝0
由图像得，整个过程中外界对气体做功为W2×10﹣3J+4×105×1×10﹣3J＝900J
由热力学第一定律得：ΔU＝Q+W
代入数据解得：Q＝﹣900J
即被封闭氧气将向外界释放900J的热量。
答：（1）密闭容器中所封闭氧气分子的个数n为3.8×1023（个），每个氧气分子的质量m′为5.3×10﹣26kg；
（2）由状态A到C的整个过程中，被封闭氧气将向外界传递900J的热量。
（2023 宁波一模）如图所示，向一个空的铝制饮料罐（即易拉罐）中插入一根透明吸管，接口用蜡密封，在吸管内引入一小段油柱（长度可以忽略）。如果不计大气压的变化，这就是一个简易的气温计。已知铝罐的容积是358cm3，吸管内部粗细均匀，横截面积为0.2cm2，吸管的有效长度为20cm，当温度为300K时，油柱离管口10cm。已知大气压强为105Pa。（结果保留到小数点后一位）
（1）这个气温计的刻度是否均匀；
（2）这个气温计的最大测量值是多少；
（3）已知气温计的温度从300K缓慢上升到最大值的过程中，气体从外界吸收了0.7J的热量，则此过程中气体内能增加了多少？
【解答】解：（1）根据题意可知，封闭气体做等压变化，根据
化简得：
温度与气体在细管中的高度成线性关系，可知气温计的刻度是均匀的。
（2）封闭气体做等压变化，当液体到达饮料管的最上端时，气体的温度最高，由盖—吕萨克定律知
可得
（3）气体对外做功W＝pΔV＝105×0.1×0.2×10﹣4J＝0.2J
由热力学第一定律知ΔU＝Q﹣W＝0.7J﹣0.2J＝0.5J
答：（1）气温计的刻度是均匀的；
（2）气温计的最大测量值是301.7K；
（3）过程中气体内能增加了0.5J。
（2023 市中区校级一模）单级水火箭可以简化为如图（a）所示的下方开口的容器。容器中气体体积V＝3L，压强p0＝1×105Pa，下方水的深度h＝50cm。单向气阀（不计质量）是一个只能朝一个方向通入气体的装置，它外部为橡胶材质，将其紧紧塞在容器口位置可将水堵住还能向容器内进行充气。单向气阀与容器口摩擦力的最大值f＝91.5N。现用打气筒通过单向气阀向容器内一次次的充入压强p0＝1×105Pa，V1＝300ml的气体。当容器内的气体压强到达一定值时单向气阀和容器中的水被一起喷出，水火箭可以获得一定的速度发射。已知重力加速度g＝10m/s2，容器口的横截面积S＝3×10﹣4m2，水的密度ρ＝1×103kg/m3。假设容器中的气体为理想气体，充气和喷水时忽略温度的变化。
（1）求水火箭刚好喷水时容器内气体压强p；
（2）求水火箭刚好喷水时的充气次数；
（3）水火箭喷水过程中，容器内气体的p﹣V图像如图（b）所示，试估算容器内气体从状态a到状态b从外部吸收的热量。
【解答】解：（1）对单向气阀受力分析，根据平衡条件有p0S+f＝mg+pS，h＝50cm＝0.5m
解得
代入数据得p＝4×105Pa
（2）气体做等温变化，根据理想气体状态方程有p0V+Np0V1＝pV
解得充气次数N＝30
（3）由p﹣V图像可知，外界对气体做功W＝﹣208×4＝﹣832J
由热力学第一定律ΔU＝W+Q＝0
所以气体吸收热量Q＝832J
答：（1）水火箭刚好喷水时容器内气体压强4×105Pa；
（2）水火箭刚好喷水时的充气次数30；
（3）估算容器内气体从状态a到状态b从外部吸收的热量832J。
（2023 全国）一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸中，p﹣V图中的a、b、c三点对应其三种状态，若a、b两状态体积相等，则气体无论通过什么途径（　　）
A．从状态a变化到c，内能一定增加
B．从状态b变化到c的过程中，气体始终对外做功
C．从状态b变化到a的过程中，气体始终对外做功
D．从状态a变化到b，吸收的热量一定大于放出的热量
【解答】解：A、从状态a变化到c，气体压强增大、体积增大，由理想气体状态方程C可知，气体温度升高，则内能一定增加，故A正确；
B、从状态b变化到c的过程中，当气体按照从b到a再到c的途径变化状态时，在从b到a状态过程中，气体体积不变，此过程气体没有对外做功，故B错误；
C、从状态b变化到a的过程中，若气体从b状态直接变化到a状态，由于气体体积不变，此过程气体没有对外做功，故C错误；
D、从状态a直接变化到b时，气体压强减小、体积不变，由理想气体状态方程C可知，气体温度降低，内能减少，由热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，ΔU＜0，W＝0，则Q＜0。
当气体按照从a到c再到b的途径变化状态时，从a到c，气体压强增大、体积增大，由理想气体状态方程C可知，气体温度升高，内能增加。由热力学第一定律有ΔU1＝W1+Q1，ΔU1＞0，W1＜0，则Q1＞0，Q1为吸热。
从c到b，气体压强减小、体积减小，由理想气体状态方程C可知，气体温度降低，内能减少。由热力学第一定律有ΔU2＝W2+Q2，ΔU2＜0，W2＞0，则Q2＜0，Q2为放热。
因为Q＝Q1+Q2，Q＜0，所以Q2的绝对值大于Q1的绝对值，即吸收的热量小于放出的热量，故D错误。
故选：A。
（多选）（2023 山东）一定质量的理想气体，初始温度为300K，压强为1×105Pa。经等容过程，该气体吸收400J的热量后温度上升100K；若经等压过程，需要吸收600J的热量才能使气体温度上升100K。下列说法正确的是（　　）
A．初始状态下，气体的体积为6L
B．等压过程中，气体对外做功400J
C．等压过程中，气体体积增加了原体积的
D．两个过程中，气体的内能增加量都为400J
【解答】解：C．令理想气体的初始状态的压强，体积和温度分别为
p1＝p0
V1＝V0
T1＝300K
等容过程为状态二
p2＝？
V2＝V1＝V0
T2＝400K
等压过程为状态三
p3＝p0
V3＝？
T3＝400K
由理想气体状态方程可得
整理解得
p2
V3V0
体积增加了原来的，故C错误；
D．等容过程中气体做功为零，由热力学第一定律
ΔU＝W+Q
两个过程的初末温度相同即内能变化相同，因此内能增加都为400J，故D正确；
AB．等压过程内能增加了400J，吸收热量为600J，由热力学第一定律
ΔU＝W+Q
可知
W＝400J﹣600J＝﹣200J
则气体对外做功为200J，即做功的大小为
W＝p0（）＝200J
代入数据解得
V0＝6×10﹣3m3＝6L
故A正确，B错误；
故选：AD。
（多选）（2023 浙江）下列说法正确的是（　　）
A．热量能自发地从低温物体传到高温物体
B．液体的表面张力方向总是跟液面相切
C．在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是不同的
D．当波源与观察者相互接近时，观察者观测到波的频率大于波源振动的频率
【解答】解：A、根据热力学第二定律得，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，故A错误；
B、液体的表面张力方向总是跟液面相切，故B正确；
C、在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是相同的，故C错误；
D、根据多普勒效应的原理可知，当波源与观察者相互接近时，观察者接收到波的频率增大；反之，观察者接收到波的频率减小。故D正确。
故选：BD。
（2022 北京）2021年5月，中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）取得新突破，成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。等离子体状态不同于固体、液体和气体的状态，被认为是物质的第四态。当物质处于气态时，如果温度进一步升高，几乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，此时物质称为等离子体。在自然界里，火焰、闪电、极光中都会形成等离子体，太阳和所有恒星都是等离子体。下列说法不正确的是（　　）
A．核聚变释放的能量源于等离子体中离子的动能
B．可以用磁场来约束等离子体
C．尽管等离子体整体是电中性的，但它是电的良导体
D．提高托卡马克实验装置运行温度有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力
【解答】解：A.核聚变释放的能量源于来自于原子核的质量亏损，故A错误；
B.带电粒子运动时，在匀强磁场中会受到洛伦兹力的作用而不飞散，故可以用磁场来约束等离子体，故B正确；
C.等离子体是各种粒子的混合体，整体是电中性的，但有大量的自由粒子，故它是电的良导体，故 C正确；
D.提高托卡马克实验装置运行温度，增大了等离子体的内能，使它们具有足够的动能来克服库仑斥力，有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力，故D正确。
本题选择错误的，
故选：A。
（2022 浙江）风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW，风速在5～10m/s范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。下列说法正确的是（　　）
A．该风力发电机的输出电功率与风速成正比
B．单位时间流过面积A的流动空气动能ρAv2
C．若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW h
D．若风场每年有5000h风速在6～10m/s范围内，则该发电机年发电量至少为6.0×105kW h
【解答】解：AB、叶片旋转所形成的圆面积为A
单位时间内流过该圆面积的空气柱体积为
V＝S vt＝Av×1＝Av
空气柱的质量为
m＝ρ V＝ρAv
空气柱的动能为
EkρAv v2ρAv3
设转化效率为η，转化成的电能为E＝η EkηρAv3
p1ηρAv3，则该风力发电机的输出电功率与风速的三次方成正比；故AB错误；
C、由B选项可知 η
设每天发电时间为t
每天发电量约为W＝η pt＝η×1.0×108kW×24h＝2.4η×109kW h＜2.4×109kW h，故C错误。
D、由题意可知某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW
由p1ηρAv3
p1＝120kW
若风场每年有5000h风速在6～10m/s的风能资源，则该发电机年发电量至少为
E＝p1 t＝120kW×5000h＝6.0×105kW h，故D正确；
故选：D。
（多选）（2022 湖南）利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是 （　　）
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
【解答】解：ABC、根据题目描述可知，从A端为冷端，B端为热端，因此A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的，但气体的质量未知，所以无法确定气体内能的大小关系，故AB正确，C错误；
DE、该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律，是在外界的影响下，冷热气体分离开来，故D错误，E正确；
故选：ABE。
（2021 北京）比较45℃的热水和100℃的水蒸气，下列说法正确的是（　　）
A．热水分子的平均动能比水蒸气的大
B．热水的内能比相同质量的水蒸气的小
C．热水分子的速率都比水蒸气的小
D．热水分子的热运动比水蒸气的剧烈
【解答】解：A：分子的平均动能只和温度有关，温度越高分子的平均动能越大，热水温度小于水蒸气，所以热水分子的平均动能小于水蒸气分子的平均动能，故A错误；
B：热水变成水蒸气需要吸热内能变大，所以热水内能要小于同质量水蒸气的内能，故B正确；
C：无论什么温度的物体所含有的分子都有速率快的和慢的，只是温度越高速率高的分子所占的比例比较高，故C错误；
D：温度越高分子运动的越剧烈，热水温度小于水蒸气温度，水蒸气分子运动的比较剧烈，故D错误；
故选：B。
（2021 山东）如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气，小瓶内的空气可视为理想气体。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体（　　）
A．内能减少
B．对外界做正功
C．增加的内能大于吸收的热量
D．增加的内能等于吸收的热量
【解答】解：A、由题，越靠近瓶口水的温度越高，则小瓶上升靠近瓶口的过程中温度也升高，则气体的温度升高，由于一定量的理想气体的内能仅仅与温度有关，可知小瓶内气体的内能增大，故A错误；
B、设大气压强为p0，瓶内气体的压强为p，瓶内气体下侧到水面的高度差为h，则瓶内气体的压强：p＝p0+ρgh，其中ρ为水的密度；小瓶上升的过程中瓶内气体下侧到水面的高度差减小，则瓶内气体的压强减小；由理想气体的状态方程：，可知小瓶上升的过程中瓶内气体的体积一定增大，则小瓶内气体对外界做正功，故B正确；
CD、气体的内能增大，则ΔU为正，气体对外做功，则W为负，根据热力学第一定律：ΔU＝Q+W，可知气体增大的内能小于气体吸收的热量，故CD错误。
故选：B。
（多选）（2021 天津）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中（　　）
A．上下乘客时，气体的内能不变
B．上下乘客时，气体从外界吸热
C．剧烈颠簸时，外界对气体做功
D．剧烈颠簸时，气体的温度不变
【解答】解：AB、上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不变、内能不变；上下乘客时，封闭气体可能被压缩而体积变小，也可能膨胀而体积变大，若气体是在被压缩的过程中，则外界对气体做正功，气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体对外放出热量，故A正确、B错误；
CD、剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，气体的内能增加，温度升高，故C正确、D错误。
故选：AC。
（2023 浙江）某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300K、活塞与容器底的距离h0＝30cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度Tc＝363K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158J。取大气压，求气体：
（1）在状态B的温度；
（2）在状态C的压强；
（3）由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
【解答】解：（1）从状态A到状态B的过程中气体发生等压变化，根据盖—吕萨克定律得
代入数据解得：TB＝330K
（2）气体在状态B的压强为pB＝p00.99×105PaPa＝1×105Pa
从状态B到状态C的过程中气体发生等容变化，根据查理定律得
代入数据解得：pC＝1.1×105Pa
（3）从状态A到状态B的过程中气体对外做的功为W＝pBSd＝1×105×100×10﹣4×0.03J＝30J
从状态B到状态C的过程中气体不做功。由状态A到状态C过程中，根据热力学第一定律得
ΔU＝Q﹣W
代入数据解得：ΔU＝188J
答：（1）气体在状态B的温度为330K；
（2）气体在状态C的压强为1.1×105Pa；
（3）由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q为188J。
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专题15.3　热力学定律与能量守恒定律
物理观念：理想气体。
知道理想气体的概念并且知道一定质量的理想气体的内能只与温度有关.
科学思维：理想气体状态方程、热力学定律
1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.
2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.
3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能实现.
科学态度：热机在生产、生活中的应用。
【知识点一】热力学第一定律与能量守恒定律
1.热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。
(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。
(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。
2.三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。
（2023 沙坪坝区校级模拟）某班同学在中央公园进行的踏青活动中放飞气球，已知大气压强随高度增加而降低，假设气球在上升过程中温度不变。某同学观察一缓慢上升的气球（球内气体视为理想气体），球内气体在气球上升的过程中（　　）
A．内能增大 B．内能减小 C．从外界吸热 D．向外界放热
（2023 青岛模拟）啤酒是青岛这座城市的“专属味道”，如图是青岛市民喜欢的袋装原浆，某次售卖时，售货员将7℃冰镇原浆倒入密封袋中快速封口，密封袋内有啤酒和少部分空气且不断有气体从啤酒中析出，静置一段时间后，发现密封袋鼓胀起来。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，室温为27℃，封闭气体体积从0.2L增大为0.25L。下列说法正确的是（　　）
A．外界对内部封闭气体做正功
B．静置后内部封闭气体的内能增加
C．静置后内部封闭气体的分子速率都增加
D．根据气体实验定律，可求出静置后内部封闭气体的压强
（2023 通州区校级三模）如图所示，自嗨锅是一种自热火锅，加热时既不用火也不插电，主要利用发热包内的物质与水接触，释放出热量。自嗨锅的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成爆炸，非常危险，下列说法中正确的是（　　）
A．自嗨锅爆炸的瞬间，盒内气体的内能增大
B．自嗨锅爆炸的短时间内，单位时间单位面积上分子撞击容器壁的次数增多
C．爆炸短时间内，温度迅速降低，分子平均速率减小
D．能够闻到自嗨锅内食物的香味是布朗运动
（2023 梅河口市校级三模）登山运动员从海拔500m的山脚下出发，来到海拔3200m的山顶，发现所携带的一密封着一定质量空气的塑料袋的体积明显增大了。山顶气温比山脚下低10℃左右。在登山过程中，下列关于塑料袋中气体的说法正确的是（　　）
A．塑料袋中气体的内能变大了
B．塑料袋中气体的压强变大了
C．塑料袋中气体对外界做的功小于其内能的变化量
D．塑料袋中气体放出的热量大于其对外界做的功
（2023 枣强县校级模拟）如图所示，在大气压强为、室温为T1＝300K的实验室中，一高度L＝30cm、底面积S＝3×10﹣4m2、侧壁及底面厚度不计的圆柱体气缸竖直放置在地面上，内有一质量M＝4kg、厚度H＝5cm的活塞，气缸侧壁顶部和正中间分别有一个大小不计的微动开关P、Q，可以感知活塞是否与其接触，以制成传感器。初始时活塞底部距离气缸底部20cm，不计活塞与气缸侧壁间的摩擦。
（1）若缓慢升高气缸内气体温度，求活塞刚好接触微动开关P时气缸内气体温度。
（2）若第（1）问过程中，气缸内气体从外界吸收热量Q1＝7.5J，气体内能变化量为多少？
（3）保持温度不变，在活塞上缓慢施加压力以触发开关Q可制成压力传感器，若Q到活塞底部距离的调节范围为5～15cm，则可检测的压力的范围是多少？
【知识点二】热力学第一定律与图像的综合应用
1.气体的状态变化可由图象直接判断或结合理想气体状态方程＝C分析.
2.气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析.
(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功.
(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小.
(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热.
（2023 南岗区校级三模）如图所示的p﹣V图象中，一定质量的理想气体从状态A开始，经过状态B、C、D，最后回到状态A。其中AD和BC平行于横轴，AB和CD平行，AB延长线过坐标原点O，下列说法正确的是（　　）
A．A→B过程气体分子热运动的平均动能不变
B．C→D过程气体单位体积内分子数增加
C．D→A过程中，气体分子与器壁在单位时间、单位面积上的碰撞次数将减少
D．整个过程中，气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量
（2023 江苏三模）如图所示，一定质量的理想气体从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a，则（　　）
A．a到b过程，气体内能增大
B．b到c过程，气体对外界做功
C．c到d过程，气体吸收热量
D．经过一次循环过程，外界对气体做功
（2023 市中区校级一模）密闭容器内封有一定质量的理想气体，V﹣T图像如图所示，从状态a开始变化，经历状态b、状态c，最后回到状态a完成循环。下列说法正确的是（　　）
A．气体在由状态a变化到状态b的过程中放出热量
B．气体在由状态b变化到状态c的过程中，内能增加
C．气体从状态a完成循环回到状态a的过程中，向外界放出热量
D．气体从状态c变化到状态a的过程中，单位时间撞击单位面积容器壁的分子数增加
（2023 怀仁市校级三模）一定质量的理想气体经历a→b、b→c、c→d三个变化过程，其体积V随热力学温度T变化的关系图像如图所示，图中从a到b过程的图像反向延长线过原点，从b到c过程图线与纵轴平行，a、c、d在与横轴平行的直线上，则下列说法中正确的是（　　）
A．从a→b过程，气体内能的增量小于气体放出热量
B．从a→b过程，气体分子运动的平均速率增大
C．从b→c过程，单位时间内容器壁单位面积上受到分子的平均作用力减小
D．从a→d过程，气体对外做功为零
（2023 中山区校级模拟）气压式升降椅通过气缸上下运动来控制椅子升降，其简易结构如图（a）所示，圆往形气缸与椅面固定连接，柱状气动杆与底座固定连接。可自由移动的气缸与气动杆之间封闭一定质量的气体，气缸气密性、导热性能良好，忽略摩擦力，气体可视为理想气体。设气体的初始状态为A，接着某人虚坐在指面上，开始时此人的脚在地上，后逐渐减少对地面的压力直至脚完全离开地面，此过程中（温度不变）椅子缓慢下降一段距离后，气体达到稳定状态B。然后打开空调降低室温，一段时间后，室内温度缓慢降低到设定温度，稳定后气体状态为C。最后人将脚缓慢放在地面上并逐渐增大对地面的压力直至人离开椅面，气体最终达到另一个稳定状态该过程中气体的压强和体积倒数的关系如图（b）所示，已知气缸的横截面积为S，重力加速度大小为g，外界大气压强不变，则（　　）
A．由图（b）数据可算得人的质量为
B．与状态B相比，气体处于状态C时单位时间内碰撞单位面积容器壁的分子数较多
C．由图（b）数据可算得从状态C到状态D气体对外界做的功大小为（p1+p2）（V3﹣V4）
D．从状态A到状态D，气体向外放出的热量小于外界对气体做的功
【知识点三】热力学第二定律的理解
1.热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.
(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.或表述为“第二类永动机是不可能制成的”.
2.热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序度增大的方向进行.
3.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律.
（2023 海口模拟）下列说法正确的是（　　）
A．悬浮水中的碳粒做布朗运动的现象，间接反映了水分子的无规则热运动
B．晶体有固定的熔点，但物理性质不可能表现为各向同性
C．温度升高时，物体内每个分子的速率都增大，所以物体的分子平均动能增大
D．根据热力学第二定律可知，热量不可以从低温物体传到高温物体
（2023 泉州模拟）2022年5月，我国首个商用压缩空气储能电站投产发电。在用电低谷期，利用剩余的电力把洞外空气压缩到盐矿开采后留下的密闭盐穴矿洞中，储存能量；在用电高峰期，将储存在矿洞内的高压空气释放出来驱动汽轮机发电。矿洞可视为绝热容器，在充气过程中，矿洞内（　　）
A．气体内能保持不变
B．气体分子数密度不变
C．气体分子的运动速率都增加了
D．气体分子对洞壁单位面积平均撞击力变大
（2023 清远模拟）关于分子动理论，下列说法正确的是（　　）
A．布朗运动就是分子的运动
B．气体温度升高，每个分子的平均动能都增大
C．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
D．当分子间作用力表现为斥力时，分子势能随分子间距离的减小而减小
（2023 重庆模拟）下列有关热学现象的说法，正确的是（　　）
A．当分子间作用力表现为引力时，分子势能随分子间距离减小而增大
B．所有晶体都具有各向异性的特征
C．一切自然过程总是向着分子热运动无序性减小的方向进行
D．高压气体突然快速膨胀会导致气体温度降低
（2021 山东二模）中国最早的农学论文《吕氏春秋 任地》论述到：“人耨必以旱，使地肥而土缓”。农谚“锄板底下有水”、“锄头自有三寸泽”。这都是对松土保墒功能的生动总结。关于农业生产中的松土保墒环节蕴含的科学原理，下列说法正确的是（　　）
A．松土是把地面的土壤锄松，目的是破坏这些土壤里的毛细管，保存水分
B．松土是为了让土壤里的毛细管变得更细，保护土壤里的水分
C．松土保墒利用了浸润液体在细管中下降，不浸润液体在细管中上升的科学原理
D．松土除了保墒、刈草外，还可促进蒸发、降低地温；“多锄地发暖”这句农谚没有科学道理
【知识点四】热力学定律与气体实验定律的综合问题
1.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法
(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。
(2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出与之相关的气体状态参量,利用相关规律解决。
(3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)就要做功,如果是等压变化,W=pΔV;只要温度发生变化,其内能就发生变化。
(4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。
2.与理想气体相关的热力学问题的分析方法
对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定:
(1)做功情况看体积
体积V减小→外界对气体做功→W>0;
体积V增大→气体对外界做功→W<0;
无阻碍地自由膨胀→W=0。
(2)内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU>0;
温度T降低→内能减少→ΔU<0。
(3)吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后确定Q。
（2023 山西模拟）一个密闭容器内封闭有m＝20g可视为理想气体的氧气，氧气从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的p﹣V图像如图中带箭头的实线所示，已知氧气的摩尔质量为M＝32g/mol，阿伏加德罗常数为，一个标准大气压为1.0×105Pa。求：
（1）密闭容器中所封闭氧气分子的个数n及每个氧气分子的质量m′（结果保留2位有效数字）；
（2）由状态A到C的整个过程中，被封闭氧气与外界间传递的热量Q。
（2023 宁波一模）如图所示，向一个空的铝制饮料罐（即易拉罐）中插入一根透明吸管，接口用蜡密封，在吸管内引入一小段油柱（长度可以忽略）。如果不计大气压的变化，这就是一个简易的气温计。已知铝罐的容积是358cm3，吸管内部粗细均匀，横截面积为0.2cm2，吸管的有效长度为20cm，当温度为300K时，油柱离管口10cm。已知大气压强为105Pa。（结果保留到小数点后一位）
（1）这个气温计的刻度是否均匀；
（2）这个气温计的最大测量值是多少；
（3）已知气温计的温度从300K缓慢上升到最大值的过程中，气体从外界吸收了0.7J的热量，则此过程中气体内能增加了多少？
（2023 市中区校级一模）单级水火箭可以简化为如图（a）所示的下方开口的容器。容器中气体体积V＝3L，压强p0＝1×105Pa，下方水的深度h＝50cm。单向气阀（不计质量）是一个只能朝一个方向通入气体的装置，它外部为橡胶材质，将其紧紧塞在容器口位置可将水堵住还能向容器内进行充气。单向气阀与容器口摩擦力的最大值f＝91.5N。现用打气筒通过单向气阀向容器内一次次的充入压强p0＝1×105Pa，V1＝300ml的气体。当容器内的气体压强到达一定值时单向气阀和容器中的水被一起喷出，水火箭可以获得一定的速度发射。已知重力加速度g＝10m/s2，容器口的横截面积S＝3×10﹣4m2，水的密度ρ＝1×103kg/m3。假设容器中的气体为理想气体，充气和喷水时忽略温度的变化。
（1）求水火箭刚好喷水时容器内气体压强p；
（2）求水火箭刚好喷水时的充气次数；
（3）水火箭喷水过程中，容器内气体的p﹣V图像如图（b）所示，试估算容器内气体从状态a到状态b从外部吸收的热量。
（2023 全国）一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸中，p﹣V图中的a、b、c三点对应其三种状态，若a、b两状态体积相等，则气体无论通过什么途径（　　）
A．从状态a变化到c，内能一定增加
B．从状态b变化到c的过程中，气体始终对外做功
C．从状态b变化到a的过程中，气体始终对外做功
D．从状态a变化到b，吸收的热量一定大于放出的热量
（多选）（2023 山东）一定质量的理想气体，初始温度为300K，压强为1×105Pa。经等容过程，该气体吸收400J的热量后温度上升100K；若经等压过程，需要吸收600J的热量才能使气体温度上升100K。下列说法正确的是（　　）
A．初始状态下，气体的体积为6L
B．等压过程中，气体对外做功400J
C．等压过程中，气体体积增加了原体积的
D．两个过程中，气体的内能增加量都为400J
（多选）（2023 浙江）下列说法正确的是（　　）
A．热量能自发地从低温物体传到高温物体
B．液体的表面张力方向总是跟液面相切
C．在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是不同的
D．当波源与观察者相互接近时，观察者观测到波的频率大于波源振动的频率
（2022 北京）2021年5月，中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）取得新突破，成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。等离子体状态不同于固体、液体和气体的状态，被认为是物质的第四态。当物质处于气态时，如果温度进一步升高，几乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，此时物质称为等离子体。在自然界里，火焰、闪电、极光中都会形成等离子体，太阳和所有恒星都是等离子体。下列说法不正确的是（　　）
A．核聚变释放的能量源于等离子体中离子的动能
B．可以用磁场来约束等离子体
C．尽管等离子体整体是电中性的，但它是电的良导体
D．提高托卡马克实验装置运行温度有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力
（2022 浙江）风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW，风速在5～10m/s范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。下列说法正确的是（　　）
A．该风力发电机的输出电功率与风速成正比
B．单位时间流过面积A的流动空气动能ρAv2
C．若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW h
D．若风场每年有5000h风速在6～10m/s范围内，则该发电机年发电量至少为6.0×105kW h
（多选）（2022 湖南）利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是 （　　）
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
（2021 北京）比较45℃的热水和100℃的水蒸气，下列说法正确的是（　　）
A．热水分子的平均动能比水蒸气的大
B．热水的内能比相同质量的水蒸气的小
C．热水分子的速率都比水蒸气的小
D．热水分子的热运动比水蒸气的剧烈
（2021 山东）如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气，小瓶内的空气可视为理想气体。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体（　　）
A．内能减少
B．对外界做正功
C．增加的内能大于吸收的热量
D．增加的内能等于吸收的热量
（多选）（2021 天津）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中（　　）
A．上下乘客时，气体的内能不变
B．上下乘客时，气体从外界吸热
C．剧烈颠簸时，外界对气体做功
D．剧烈颠簸时，气体的温度不变
（2023 浙江）某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300K、活塞与容器底的距离h0＝30cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度Tc＝363K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158J。取大气压，求气体：
（1）在状态B的温度；
（2）在状态C的压强；
（3）由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
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